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◎ 机组常识
同步发电机突然从电网切除后端电压分析及参数求取
来源:宏伟发电机租凭    发布日期:2015-03-19    浏览:
  1电力系统各种动态计算的精度取决于发电机、励磁系统、调速系统和综合负荷等的模型及模型中参数的精度。近年来,国内电网对上述参数测试和动态建模的呼声很高。大量分析计算表明,在以上各参数中,发电机的模型和参数问题比其它环节更为复杂。
 
  对于同步发电机的参数问题,可以采用场的方法通过数值计算来求取,也可以采用系统辨识理论进行参数辨识。辨识方法主要有2种:①频域响应法②时域响应法。前者由于方法本身的限制,近年的研究趋于减少。后一种方法当采用在线测辨技术时,存在2个实际困难。一是在线辨识时,同步电机处于正常运行状态中,输入扰动信号不能太大,否则将影响正常运行。国外大多数在线辨识主要是仿真结果,现场试验很少。二是存在参数辨识不稳定问题,即对于不同试验、甚至同一试验采用不同计算方法时,所得参数相差甚大。文对于同一试验,采用4种计算方法,所得d、q轴瞬变及超瞬变电抗,相差(2 .38~4 .49)倍, d、q轴瞬变开路时间常数相差(1 .89~2 .51)倍,而d、q轴超瞬变开路时间常数相差达数百倍。
 
  利用发电机解列这一正常操作,记录端电压瞬变过程,可以用来计算同步发电机的参数,方法比较简单。本文用运算微积方法推导了同步发电机从电网切除后,端电压的一般表达式,论述了如何利用这一瞬变过程求取同步电机参数。在1台小型同步发电机上的试验表明,参数计算的重复性较好,而且模拟计算的结果和试验结果接近。
 
  2同步发电机突然从电网切除后端电压的计算在以下计算过程中,假设:①不计饱和影响②在直轴和交轴均只有1个阻尼绕组③由于机械瞬变过程较之电磁瞬变过程慢,因此在计算解列后的瞬变过程时,认为同步电机的转速仍为同步速。
 
  由于假设磁路线性,故可应用迭加原理,即将同步发电机从电网切除看作是在电机端部突然并联1个与切除前大小相等、方向相反的电流源,这样切除后电机端部瞬变电压的求解就成为以下2种情况的求解,即:①电机从电网切除前的稳态运行电流②在电机端部突然并联一与切除前大小相等、方向相反的电流源后,电机端电压的变化。
 
  2 .1切除前的稳态运行稳态对称运行时,同步发电机的转速为常数且等于同步速,励磁电压和电流为恒值,电枢电压和电流是稳定的交变电压和电流,阻尼绕组的电流为零。
 
  设各相励磁电势的瞬时值为若以δ表示励磁电势领前于端电压的相角,则端电压的瞬时值为转换到d、q、0坐标系统时有从Park方程出发,解得稳态运行时不计电枢电阻R的d、q轴电流分别为式中x分别为直轴及交轴同步电抗。
 
  2 .2切除后的瞬变过程如式(6)(7)所示,切除后相当于在电机端部突然并联1个电流源求解这一瞬变电流引起的瞬变电压,假定w =具有如下的形式式中x(p)为电机的直、交轴运算电抗,其表达式如式(12)(23)所示G(p)为直轴传递函数。
 
  由于只考虑如式(4)(5)所示的电流引起的后果,因而磁链方程式成为为了和切除前的电压相区别,将切除后的瞬变电压记作u q,不计电枢电阻时,电压方程式成为由于三相电压对称,零序分量为零。由式(11)可见, u和u的求解成为ψ和ψ的求解。
 
  由文式中x为直轴电枢反应电抗x和x分别为励磁绕组和阻尼绕组的电抗R和R则分别为励磁绕组和阻尼绕组的电阻。
 
  则ψ求解ψ的原函数,令即式中为励磁绕组的时间常数为直轴阻尼绕组的时间常数为励磁绕组与直轴阻尼绕组间的漏磁系数求解式(15),得式(19)考虑到阻尼绕组电阻标么值比励磁绕组大得多,从而使τ远较τ为小,因而令τ则式中τ为定子绕组开路,励磁绕组短接,即=0时,直轴阻尼绕组的时间常数为直轴电枢绕组和直轴阻尼绕组均开路情况下,励磁绕组的时间常数的原函数为式中x和x分别为直轴瞬变和超瞬变电抗式中x交轴电枢反应电抗为交轴阻尼绕组电阻令得式中τ为交轴电枢绕组开路时,交轴阻尼绕组的时间常数前述同样的方法,可得式中x为交轴的超瞬变电抗。
 
  所求之瞬变电压u为式中u和u为变压器电势, u和u为旋转电势。
 
  由于变压器电势比旋转电势小得多,将其略去,则有2 .3同步发电机从电网切除后的端电压转换到a、b、c座标系统和u的表达式可根据u的表达式导出。
 
  由式(31)可见,同步发电机从电网切除后,经历一个瞬变过程,其稳态值为E),其中的数值在励磁保持不变的情况下,和切除前励磁电流的大小有关。图4给出的是1台 kW,400 V的同步发电机从电网切除后端电压和励磁电流的示波图,该机在切除前i =0 ,且运行在欠激状态。
 
  3利用切除后的瞬变过程求取电机参数由于利用以上公式可将切除后的电压分解为d、q轴分量,从而求取参数。
 
  则故x又因τ比τ小得多,故Δu很快衰减完毕,此时相当于阻尼绕组开路, u.从此式及(4)和(33)得从式(5)及(34)由式(36)(37)(39)可见,参数的求取实质是求取各瞬变分量在t =0时的值的问题。可用曲线拟合的方法[ 3~5],该方法可同时求得(39)(40)中的时间常数τ和τ4功角δ的量测方法在电机轴伸出端标出与电机极数相同的黑白相间的均匀标记(图1)。电机转动时,将光电转速传感器发出的矩形位置脉冲与电机任一相的电压信号一起接至光线示波器,由于空载时u用这一原理,空载时调节轴上的黑白标记,使电机的电压波形和矩形波的中心线重合(图2)。电机负载时或切除后的δ角可根据上述2个波形的相位差(图3)用下式决定≠0的情况下,所撮录的端电压在切除后的波形。
 
  =0时端电压的瞬变过程≠0时端电压的瞬变过程5参数计算结果和分析利用前述方法在实验室进行反复试验的基础上,对上海电机厂生产的1台小型同步发电机测取了参数。表1给出了该电机参数的计算结果。其设计数据以及该厂用突然短路法和静测法所取得的d、q轴参数一起列于表中。被试电机的铭牌数据备注设计数据突然短路法上海电机厂试验数据静测法上海电机厂试验数据试验(一)切除前δ试验(二)切除前δ试验(三)切除前δ利用表中试验(一)和试验(二)所得参数进行模拟计算的结果与试验结果的比较如图6 ,图7所示。
 
  模拟计算时采用传统的数学模型,即式中i分别为励磁绕组和阻尼绕组中的电流。
 
  其模拟计算的结果一起列于图6、图7中。式(41)中各参数由表1中数据求取。其关系见文。
 
  从表1及图6、图7可见:时的计算和实验曲线(1)图7计算结果和试验结果接近,图6中最大点的误差在7 左右,误差主要来自以下方面:①模型误差,即假设d、q轴只有1个阻尼绕组②测量误差③数据处理误差。
 
  (2)试验(三)所得x与其它试验相差较大。
 
  除上述原因外,可能还有功角δ的测量误差以及原动机转速的波动。
 
  时的计算和实验曲线6结论=0时的端电压瞬变过程计算的d轴参数,结果比较令人满意。
 
  (2)试验(二)所得各参数较试验(一)均小,说明本文所述方法根据发电机从电网切除前励磁电流的大小,可以反映磁路饱和对电机参数的影响。
 
  ≠0时,将发电机从电网解列,可同时测取d、q轴参数,但误差有待进一步研究。
 
  鞠平,等。同步发电机参数辨识的模拟进化方法[ J] .电工技术陈文纯。电机瞬变过程[ M] .北京:机械工业出版社, 1982.
 
  随I变化的程度较小。
 
  随I的变化情况随I的变化情况由图8可以看出,随着转速的升高,效率η增大。这是因为在功率相同的情况下,转速越高,相电流越小,铜耗越小,有利于效率的提高。因此,应尽量在较高转速下运行。
 
  的变化情况与转速、输出电流的关系曲线。转速升高,有利于ΔV减小,因为转速升高后电机电流将减小,由电流变化引起的储能电容电压脉动ΔV也将减小。输出电流越大,ΔV越大,从而ΔV也越大。
 
  随I的变化情况5结论(1)C dump双向变换器拓扑结构较简单,可靠性高,在航空电气系统中应用具有重要意义。
 
  (2)基于C dump双向变换器的无刷直流起动/发电机电动运行时与无刷直流电动机相同发电时具有与无刷直流发电机相同的外特性,通过电压闭环控制,在较宽工作转速范围内有平坦的外特性。
 

  (3)系统在高速时效率较高,而航空发动机大多处于巡航转速和最大转速(飞机爬升)的工作条件下,因此应用于航空无刷起动/发电系统在效率方面具有优点。 

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